[发明专利]一种整数槽分布绕组虚拟极轮辐式永磁同步电机及其低脉动设计方法

说明书

本发明公开了一种整数槽分布绕组虚拟极轮辐式永磁同步电机及其低脉动设计方法，在轮辐式永磁同步电机的外沿增设虚拟极结构，通过对虚拟极的非对称、偏移极设计可获得低脉动虚拟极轮辐式永磁同步电机。其中，转矩脉动的抑制方法可分为以下几步：首先从转矩脉动产生的原理出发，确定影响转矩脉动的转子磁动势谐波阶次；其次，根据转子气隙磁密和转子磁动势成正比的关系，确定影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次；然后，通过对转子气隙磁密在不等虚拟磁极极弧系数时的傅里叶表达式的推导，进而获得不等极弧系数角度差值与特定转矩脉动主要谐波阶次之间的公式；最后，通过不等极弧系数来消除2次转矩脉动，使用磁极偏移来消除1次转矩脉动。

技术领域

本发明涉及到轮辐式永磁同步电机的设计，特别是降低轮辐式永磁同步电机转矩脉动的方法，属于电机制造的技术领域。

背景技术

现如今永磁同步电机已经得到了广泛的应用，从汽车到航空航天的众多领域，永磁同步电机都扮演着十分重要的角色。这主要得益于永磁同步电机的几个显著特点，包括高转矩密度、高效率以及重量体积小等。永磁同步电机采用了高磁能积的磁性材料取代了传统的励磁绕组，不仅消除了励磁绕组带来的负面影响，而且简化了电机的机械结构，使电机运行可靠性提高，机械损耗也相应的减小。

永磁同步电机，尤其是钕铁硼永磁励磁的稀土永磁同步电机具有构造简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高等显著优点。作为一种战略资源，近年来，随着稀土资源的不断开采和相关保护政策的推行，国际市场上稀土价格不断上涨，这无疑对稀土永磁同步电机在工业、国防等领域的进一步广泛应用造成了巨大的影响。为了减少稀土永磁同步电机中稀土永磁材料的用量，在学术领域越来越多的学者开始致力于少稀土永磁同步电机。因此，如何在降低稀土永磁材料用量的同时保证电机的高功率密度以及如何提高电机的转矩性能成为电机研究的热点。而切向充磁的轮辐式永磁同步电机，其转子结构具有聚磁效应，有利于降低电机的成本。因此，近年来，研究轮辐式永磁同步电机成为热点。轮辐式永磁同步电机可以大幅提高永磁体利用率，因此它们可以降低电机的材料成本。但是由于轮辐式永磁同步电机气隙谐波丰富，会带来很高的转矩脉动，限制了其进一步应用。

目前，由于轮辐式永磁同步电机的转子永磁体特殊结构，可用于减小轮辐式永磁同步电机转矩脉动的技术非常有限，并且研究较少。对于轮辐式永磁同步电机转矩脉动的抑制，国内外一般采用如下方法，如斜槽、优化绕组、多目标优化设计等方法。这些方法普遍的一个缺点，过程很复杂、耗时，且降低电机转矩脉动的原理不清晰。

发明内容

针对现有轮辐电机高转矩脉动的缺点和现有转矩脉动抑制方法的高复杂度，本发明首先提出了一种带有虚拟极的轮辐式永磁同步电机，由于采用虚拟极结构，使得周向使用不等极弧系数和磁极偏移成为了可能。以此为基础，从转矩脉动的形成机理出发，快速、便捷地获取了虚拟极不对称角和偏移角来同时抑制转矩脉动中的1次和2次脉动。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种整数槽分布绕组虚拟极轮辐式永磁同步电机，该电机包括定子、嵌在定子槽中五相的单层整数槽分布绕组、以及具有虚拟磁极的轮辐式转子；每相绕组的跨距为一个极距；在轮辐式转子的外沿增设虚拟极，使得各转子单元形成凸字型；在虚拟极的外沿设有导磁条；相邻虚拟极设计成非对称，此时相邻虚拟极的极弧系数不相等；每一组相邻的非对称虚拟极视作一个重复单元，重复单元间隔偏移θ机械角度。

进一步，还包括内置在转子上的极性相反设置的永磁体。

本发明的方法技术方案为：一种整数槽分布绕组虚拟极轮辐式永磁同步电机低脉动设计方法，其具体的步骤如下：

步骤1，对目标电机的极槽配比进行分析，根据转子极数和定子槽数的关系，计算一个电周期内转矩脉动的波动周期数，确定其总体波动趋势；

步骤2，从转矩脉动产生的原理出发，确定影响五相永磁同步电机转矩脉动的转子磁动势谐波阶次，然后根据转子气隙磁密和转子磁动势成正比的关系，确定影响转矩脉动的转子气隙磁密的谐波阶次；